CN218071470U - 一种基于光电隔离的水轮机调速器数字电磁阀驱动装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于光电隔离的水轮机调速器数字电磁阀驱动装置，包括封装外壳和两路相同的驱动电路，所述驱动电路集成于所述封装外壳内部；所述封装外壳为适用于标准DIN35电气导轨安装的卡扣式工控盒，所述封装外壳上侧和下侧分别设置有四个用于对外接线的接线端子；本实用新型提供一种基于光电隔离技术的水轮机调速器数字电磁阀驱动装置。该装置将两路相同的驱动电路集成在线圈式继电器同等体积的封装中，可同时驱动两路单线圈的数字电磁阀或双线圈的换向电磁阀，集成度高、体积小、外部接线简单，且每路驱动都具有较高的带载能力和感应电动势消除电路。

Description

一种基于光电隔离的水轮机调速器数字电磁阀驱动装置

技术领域

本实用新型属于水轮机调速器技术领域，尤其涉及一种基于光电隔离的水轮机调速器数字电磁阀驱动装置。

背景技术

水轮机调速器是水电站发电机组的重要辅助设备，主要用于控制水轮机转速和出力，同时保护其安全、稳定运行。水轮机调速器已广泛的使用液压控制技术，其机械液压执行机构中的电液转换器在接收到电气调节器输出的控制信号后，电液转换器将电信号成比例的转换为流量推动液控换向阀活塞移动，实现对流过液控换向阀压力油的流量控制，达到控制水轮机导叶接力器的行程，最终实现对水轮机组的转速或功率的控制。

电液转换器是水轮机调速器中联接电气部分和机械液压部分的关键元件。根据转换方式可分为数字式、步进伺服式、比例伺服阀式等，这几种转换方式都会涉及到液压电磁阀的控制。液压电磁阀属于一种大电流的感性负载，PLC 控制器无法直接驱动液压电磁阀，通常使用线圈式继电器、固态继电器作为中间驱动环节。

线圈式继电器因其自生机械结构原因，带载能力有限、吸合和释放响应时间较长，可用在不频繁动作的电磁阀控制。若作为数字电磁阀的脉宽调制控制驱动环节，则响应速度不够而达不到理想的控制效果，同时因感性负载通断时会产生较大的感应电动势加载在继电器触点上，产生的高压使触点氧化变黑，进一步缩短了继电器的使用寿命。

固态继电器使用半导体开关元件，无触点开关输出，相比线圈式继电器响应速度快，使用寿命长，能较好的解决数字电磁阀的脉宽调制控制的驱动问题。但也正因为使用半导体开关元件的原因，固态继电器输出端对通断瞬间的感应电动势更加敏感，特别是开关频率较高时，产生的感应电动势很容易击穿固态继电器，所以需要在固态继电器的输出端口增加额外的续流电路来释放产生的感应电动势。同时相同功率的固态继电器不管是体积还是成本都要远高于线圈式继电器，不利于系统集成。

实用新型内容

本实用新型提供一种基于光电隔离的水轮机调速器数字电磁阀驱动装置，旨在解决上述存在的问题。

本实用新型是这样实现的，一种基于光电隔离的水轮机调速器数字电磁阀驱动装置，包括封装外壳和两路相同的驱动电路，所述驱动电路集成于所述封装外壳内部；所述封装外壳为适用于标准DIN35电气导轨安装的卡扣式工控盒，所述封装外壳上侧和下侧分别设置有四个用于对外接线的接线端子，封装外壳正面设置有用于显示内部电路工作状态的导光柱，封装外壳表面镶嵌有用于定义接线端子名称的铭牌，封装外壳背部设置有方便安装拆卸的卡扣。

进一步的，所述驱动电路包括依次电性连接的输入信号处理单元、光电隔离单元、功率放大单元、输出指示单元和感应电动势消除单元。

进一步的，所述输入信号处理单元包括一串联电阻、一并联电阻、一并联电容和一反向并联二极管，与输入信号串联的串联电阻为限流电阻，与输入信号并联的并联电阻为分流电阻，所述并联电容与串联电阻构成一个RC低通滤波器，所述反向并联二极管用于防止输入信号接反损坏元器件。

进一步的，所述光电隔离单元包括一双通道的光电耦合器、一下拉电阻和驱动器电源，所述光电耦合器包括组装在一起的发光二极管和光敏三极管；当输入信号送入光电耦合器输入端时，发光二极管通过电流发光，光敏三极管受到光信号后产生电流，光敏三极管集电极和发射极导通，输出高电平到下一级电路；当光电耦合器输入端无信号，发光二极管不亮，光敏三极管集电极和发射极截止，在下拉电阻的作用下，输出低电平到下一级电路。

进一步的，所述功率放大单元包括一NPN型达林顿晶体管，一与晶体管基极串联的限流电阻和一下拉电阻，所述NPN型达林顿晶体管内部由两个NPN 双极晶体管和与基极和发射极并联的分流电阻构成，当光电隔离单元输入的高电平信号经过限流电阻后作用在NPN型达林顿晶体管基极，使NPN型达林顿晶体管工作在放大区，经发射极输出；所述下拉电阻用于使NPN型达林顿晶体管截止时后级电路输出可靠的低电平。

进一步的，所述输出指示单元由一个并联在NPN型达林顿晶体管输出端的限流电阻和发光二极管组成，限流电阻使发光二极管工作在额定电流，当NPN 型达林顿晶体管导通时输出高电平，发光二极管点亮。

进一步的，所述感应电动势消除单元由一个反向并联二极管和一个电阻组成；当NPN型达林顿晶体管导通时，反向并联二极管截止，电流经输出端电磁阀线圈后回到负极的接线端子；当NPN型达林顿晶体管导截止时，电磁阀线圈产生一个反向感应电动势，该电动势极性与反向并联二极管相同，反向并联二极管导通，电流经过二极管、电阻和电磁阀线圈形成闭合回路，从而消耗掉该反向感应电动势。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型提供一种基于光电隔离技术的水轮机调速器数字电磁阀驱动装置。该装置将两路相同的驱动电路集成在线圈式继电器同等体积的封装中，可同时驱动两路单线圈的数字电磁阀或双线圈的换向电磁阀，集成度高、体积小、外部接线简单，且每路驱动都具有较高的带载能力和感应电动势消除电路。输入和输出采用了光电隔离技术，减少了系统干扰。该装置用于取代线圈式继电器和固态式继电器作为数字电磁阀的驱动环节，有效提高了水轮机调速器电液转换器的可靠性。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为本实用新型电路原理图；

图中：1-封装外壳、2-导光柱、3-铭牌、4-接线端子、5-卡扣。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1-2，本实用新型提供一种技术方案：一种基于光电隔离的水轮机调速器数字电磁阀驱动装置，包括封装外壳1和两路相同的驱动电路，驱动电路集成于封装外壳1内部；封装外壳1为适用于标准DIN35电气导轨安装的卡扣式工控盒，封装外壳1上侧和下侧分别设置有四个用于对外接线的接线端子4，封装外壳1正面设置有用于显示内部电路工作状态的导光柱2，封装外壳 1表面镶嵌有用于定义接线端子4名称的铭牌3，封装外壳1背部设置有方便安装拆卸的卡扣5。

其中，驱动电路包括依次电性连接的输入信号处理单元、光电隔离单元、功率放大单元、输出指示单元和感应电动势消除单元。

具体地，输入信号处理单元包括一串联电阻、一并联电阻、一并联电容和一反向并联二极管，与输入信号串联的串联电阻为限流电阻，与输入信号并联的并联电阻为分流电阻，并联电容与串联电阻构成一个RC低通滤波器，反向并联二极管用于防止输入信号接反损坏元器件。

光电隔离单元包括一双通道的光电耦合器、一下拉电阻和驱动器电源，光电耦合器包括组装在一起的发光二极管和光敏三极管；当输入信号送入光电耦合器输入端时，发光二极管通过电流发光，光敏三极管受到光信号后产生电流，光敏三极管集电极和发射极导通，输出高电平到下一级电路；当光电耦合器输入端无信号，发光二极管不亮，光敏三极管集电极和发射极截止，在下拉电阻的作用下，输出低电平到下一级电路。

功率放大单元包括一NPN型达林顿晶体管，一与晶体管基极串联的限流电阻和一下拉电阻，NPN型达林顿晶体管内部由两个NPN双极晶体管和与基极和发射极并联的分流电阻构成，当光电隔离单元输入的高电平信号经过限流电阻后作用在NPN型达林顿晶体管基极，使NPN型达林顿晶体管工作在放大区，经发射极输出；下拉电阻用于使NPN型达林顿晶体管截止时后级电路输出可靠的低电平。

输出指示单元由一个并联在NPN型达林顿晶体管输出端的限流电阻和发光二极管组成，限流电阻使发光二极管工作在额定电流，当NPN型达林顿晶体管导通时输出高电平，发光二极管点亮。

感应电动势消除单元由一个反向并联二极管和一个电阻组成；当NPN型达林顿晶体管导通时，反向并联二极管截止，电流经输出端电磁阀线圈后回到负极的接线端子4；当NPN型达林顿晶体管导截止时，电磁阀线圈产生一个反向感应电动势，该电动势极性与反向并联二极管相同，反向并联二极管导通，电流经过二极管、电阻和电磁阀线圈形成闭合回路，从而消耗掉该反向感应电动势。

如图1所示，本装置使用适用于标准DIN35电气导轨安装的卡扣5式工控盒作为电路的封装外壳1，封装外壳1上下各有4个接线端子4用于对外接线，表面镶嵌有用于定义端子名称的铭牌3，并通过导光柱2将内部发光二极管信号导出，用于显示内部电路工作状态，卡扣5方便驱动装置的安装拆卸。

如图2所示，封装外壳1内部集成两路相同的驱动电路。

控制系统输出的低功率信号经驱动装置处理放大后，可同时驱动两路单线圈的数字电磁阀(YV1、YV2)或双线圈的换向电磁阀(YV1、YV2)。

以第一路驱动电路为例说明，从输入端子(IN1、G1)输入的控制信号先后经过输入信号处理单元、光电隔离单元、功率放大单元、输出指示单元和感应电动势消除单元后经输出端子(T1、GND)输出到电磁阀(YV1)。

输入信号处理单元由一个串联电阻(R1)，一个并联电阻(R2)、一个并联电容(C1)、一个反向并联二极管(D1)组成，与输入信号串联的电阻(R1) 为限流电阻，该电阻确保流入光电耦合器(U1-A)的电流If在合理的范围内。与输入信号并联的电阻(R2)为分流电阻，给干扰信号提供一个泄放通路，因光电耦合器(U1-A)是电流驱动型元器件，一些干扰信号可以直接通过并联的电阻(R2)形成回路泄放掉，而不是进入后级电路造成光电耦合器(U1-A)误导通，提高输入的抗干扰性。并联电容(C1)与串联的限流电阻(R1)构成一个RC低通滤波器，用于滤除输入信号中的高频干扰。反向并联的二极管(D1) 是用于防止输入信号接反而损坏光电耦合器(U1-A)内部的发光二极管。

光电隔离单元由一个双通道的光电耦合器(U1)、一个下拉电阻(R3)和驱动器电源(VCC、GND)组成，光电偶合器(U1)是把发光器件(如发光二极管)和光敏器件(如光敏三极管)组装在一起，通过光信号实现耦合，构成电-光和光-电的转换器件。当信号从输入信号处理单元送入光电耦合器(U1-A) 的输入端时，发光二极管通过电流而发光，光敏元件受到光信号后产生电流，光敏三极管集电极和发射极导通，输出到下一级电路就为高电平；当输入端无信号，发光二极管不亮，光敏三极管集电极和发射极截止，在下拉电阻(R3) 的作用下，输出到下一级电路就为低电平。这种结构将输入信号和输出信号进行了电气隔离而又不影响信号的传输，因此输入侧的共阻抗耦合干扰信号都很难通过光电耦合器馈送到下一级电路。驱动器电源(VCC、GND)与输入信号所使用的电源相互独立，以达到输入与输出完全隔离的目的。

功率放大单元由一个NPN型达林顿晶体管，一个与晶体管基极串联的限流电阻(R4)，一个下拉电阻(R7)组成。NPN型达林顿晶体管内部由两个NPN 双极晶体管(Q1、Q2)和与基极和发射极并联的分流电阻(R5、R6)构成，在电路上等效为一个具有高电流增益的灵敏晶体管。从光电隔离单元输入的高电平信号经过限流电阻(R4)后作用在达林顿晶体管基极，使达林顿晶体管工作在放大区，经发射极输出后驱动后级电磁阀线圈工作。下拉电阻(R7)使达林顿晶体管截止时后级电路输出可靠的低电平。

输出指示单元由一个并在输出端的限流电阻(R8)和发光二极管(LED1) 组成，限流电阻(R8)使发光二极管(LED1)工作在额定电流，达林顿晶体管导通时输出高电平，发光二极管(LED1)点亮，通过导光柱2将光亮引到封装外壳1表面，这样就可以指示驱动器的工作状态。

感应电动势消除单元由一个反向并联二极管(D3)和一个电阻(R9)组成，驱动器末端液压电磁阀(YV1)属于一种大电流的感性负载，感性器件在关断瞬间会产生很高的感应电动势，这么高的电动势很容易把达林顿晶体管击穿，甚至损坏电路中的其它元器件。当达林顿晶体管导通时，由于二极管的单向导通性，二极管(D3)截止，电流经输出端(T1)电磁阀线圈(YV1)后回到负极(GND)；当达林顿晶体管导截止时，电磁阀线圈(YV1)会产生一个反向感应电动势，该电动势极性与二极管(D3)相同，二极管(D3)导通，电流经过二极管(D3)、电阻(R9)和电磁阀线圈(YV1)形成闭合回路，从而消耗掉该反向感应电动势。

本实用新型公开一种基于光电隔离的水轮机调速器数字电磁阀驱动装置，采用卡扣5式工控盒作为电路的封装外壳1，可安装在标准DIN35电气导轨上，安装拆卸方便。内部集成两路完全相同的驱动电路，可同时驱动两路电磁阀快速关断，集成度高、体积小、外部接线简单，不需要额外的控制保护电路。采用光电隔离技术，输入输出信号完全隔离，抗干扰能力强。延迟时间只有10 微秒左右，响应速度快，即可用于换向电磁阀的换向控制又可用于数字电磁阀的脉宽调制控制。可完全取代线圈式继电器和固态式继电器作为电磁阀的驱动环节，有效提高了水轮机调速器电液转换器的可靠性。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于光电隔离的水轮机调速器数字电磁阀驱动装置，其特征在于：包括封装外壳和两路相同的驱动电路，所述驱动电路集成于所述封装外壳内部；所述封装外壳为适用于标准DIN35电气导轨安装的卡扣式工控盒，所述封装外壳上侧和下侧分别设置有四个用于对外接线的接线端子，封装外壳正面设置有用于显示内部电路工作状态的导光柱，封装外壳表面镶嵌有用于定义接线端子名称的铭牌，封装外壳背部设置有方便安装拆卸的卡扣。

2.根据权利要求1所述的一种基于光电隔离的水轮机调速器数字电磁阀驱动装置，其特征在于：所述驱动电路包括依次电性连接的输入信号处理单元、光电隔离单元、功率放大单元、输出指示单元和感应电动势消除单元。

3.根据权利要求2所述的一种基于光电隔离的水轮机调速器数字电磁阀驱动装置，其特征在于：所述输入信号处理单元包括一串联电阻、一并联电阻、一并联电容和一反向并联二极管，与输入信号串联的串联电阻为限流电阻，与输入信号并联的并联电阻为分流电阻，所述并联电容与串联电阻构成一个RC低通滤波器，所述反向并联二极管用于防止输入信号接反损坏元器件。

4.根据权利要求2所述的一种基于光电隔离的水轮机调速器数字电磁阀驱动装置，其特征在于：所述光电隔离单元包括一双通道的光电耦合器、一下拉电阻和驱动器电源，所述光电耦合器包括组装在一起的发光二极管和光敏三极管；当输入信号送入光电耦合器输入端时，发光二极管通过电流发光，光敏三极管受到光信号后产生电流，光敏三极管集电极和发射极导通，输出高电平到下一级电路；当光电耦合器输入端无信号，发光二极管不亮，光敏三极管集电极和发射极截止，在下拉电阻的作用下，输出低电平到下一级电路。

5.根据权利要求2所述的一种基于光电隔离的水轮机调速器数字电磁阀驱动装置，其特征在于：所述功率放大单元包括一NPN型达林顿晶体管，一与晶体管基极串联的限流电阻和一下拉电阻，所述NPN型达林顿晶体管内部由两个NPN双极晶体管和与基极和发射极并联的分流电阻构成，当光电隔离单元输入的高电平信号经过限流电阻后作用在NPN型达林顿晶体管基极，使NPN型达林顿晶体管工作在放大区，经发射极输出；所述下拉电阻用于使NPN型达林顿晶体管截止时后级电路输出可靠的低电平。

6.根据权利要求5所述的一种基于光电隔离的水轮机调速器数字电磁阀驱动装置，其特征在于：所述输出指示单元由一个并联在NPN型达林顿晶体管输出端的限流电阻和发光二极管组成，限流电阻使发光二极管工作在额定电流，当NPN型达林顿晶体管导通时输出高电平，发光二极管点亮。

7.根据权利要求5所述的一种基于光电隔离的水轮机调速器数字电磁阀驱动装置，其特征在于：所述感应电动势消除单元由一个反向并联二极管和一个电阻组成；当NPN型达林顿晶体管导通时，反向并联二极管截止，电流经输出端电磁阀线圈后回到负极的接线端子；当NPN型达林顿晶体管导截止时，电磁阀线圈产生一个反向感应电动势，该电动势极性与反向并联二极管相同，反向并联二极管导通，电流经过二极管、电阻和电磁阀线圈形成闭合回路，从而消耗掉该反向感应电动势。

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